Positron membantu mendiagnosis kanker

Judul artikel tidak dipilih secara kebetulan. Ada sebuah artikel di blog NITU MISiS "Laser akan membantu mendiagnosis kanker" dengan deskripsi terperinci tentang prinsip operasi mikroskop fluoresensi laser, tetapi, pada kenyataannya, tidak ada sepatah kata pun tentang diagnosis kanker. Beberapa waktu yang lalu, saya mempunyai ide yang samar untuk menulis ulasan singkat tentang metode untuk mendiagnosis tumor kanker sebagai positron emission tomography (selanjutnya disebut - PET). Berita tentang pembangunan pusat pengobatan nuklir dan artikel tentang MRI hanya memperkuat gagasan ini.

Prinsip dasar yang mendasari PET

Metode diagnostik didasarkan pada kenyataan bahwa beberapa zat yang merupakan karakteristik metabolisme seseorang secara keseluruhan dan sel kanker khususnya ditandai dengan label radioaktif dan kemudian dimasukkan ke dalam tubuh manusia. Senyawa semacam itu disebut radiofarmasi - radiofarmasi. Deteksi produk peluruhan selanjutnya memungkinkan Anda untuk membangun peta tiga dimensi dari distribusi label dalam tubuh untuk menentukan area penyerapan yang bukan karakteristik orang sehat. Fitur penting dari metode PET adalah bahwa mekanisme peluruhan yang dominan adalah beta plus decay, mis. membusuk dengan pembentukan positron.



PET / CT (emisi positron, dikombinasikan dengan komputer) tomograf GE Discovery 610. Gambar diambil dari situs resmi GE Healthcare. Catatan Stand vertikal di kaki pasien adalah sistem kontrol pernapasan.

Di sini ada baiknya membuat jalan menuju mekanika kuantum. Pemusnahan positron dan elektron tidak terjadi secara instan. Positron yang dipancarkan oleh label radioaktif, ketika bertemu dengan elektron, membentuk keadaan terikat - "positronium". Baik elektron dan positron adalah fermion, sehingga putaran total dari keadaan terikat dapat nol (para-positronium) atau kesatuan (ortho-positronium). Seumur hidup para-positronium adalah dari urutan 0,1 ns, sedangkan ortho-positronium adalah 3 kali lipat lebih lama. Para-positronium hanya dapat membusuk menjadi sinar gamma dalam jumlah genap, orto-positronium, sebaliknya, hanya menjadi sejumlah sinar gamma ganjil. Perilaku ini berasal dari hukum konservasi paritas mekanis dan simetri kuantum. Mengingat energi positron rendah dalam kasus PET, kita dapat mengasumsikan bahwa hanya peluruhan 2-foton dan 3-foton yang dimungkinkan. Selain itu, positron dalam komposisi orto-positronium, karena umur yang jauh lebih lama, dapat bereaksi dengan elektron medium lainnya dengan transisi dari orto ke keadaan para. Faktanya, mekanisme peluruhan dominan adalah peluruhan dengan pembentukan 2 gamma quanta, meskipun dari sudut pandang mekanika kuantum, pembentukan orto-positronium adalah 3 kali lebih mungkin. Hal di atas hanya berlaku untuk media padat, yaitu tubuh manusia. Adalah penting bahwa sinar gamma yang dipancarkan memiliki energi yang sama yaitu 511 keV dan tersebar di arah yang berlawanan. Dalam kerangka mekanika kuantum, pernyataan ini dapat dibuktikan secara ketat, dalam kerangka mekanika dunia-makro, pernyataan itu dapat direpresentasikan sebagai berikut: selama energi positronium melebihi 1022 keV (energi sisa total elektron dan positron), kemudian positronium “hidup dan bergerak”, kehilangan energi ketika berinteraksi dengan materi. Segera setelah energi positronium turun ke 1022 keV, mis. itu "berhenti", pemusnahan terjadi dengan pelepasan 2 sinar gamma pada 180 derajat dengan energi yang sama.



Diagram para-positronium dan ortho-positronium

Registrasi sinar gamma yang dipancarkan memungkinkan untuk menentukan titik peluruhan dengan akurasi tinggi. Suatu peristiwa dianggap sebagai pendaftaran simultan dari 2 sinar gamma pada sisi berlawanan dari sebuah detektor cincin.

Isotop

Semua isotop yang digunakan untuk PET berumur pendek. Waktu paruh isotop yang paling banyak digunakan: 18F (fluor-18) - 109 menit, 11C (karbon-11) - 20 menit, 13N (nitrogen-13) - 10 menit. Salah satu PET yang berumur paling pendek yang digunakan adalah 15O (oksigen-15) dengan waktu paruh 122 detik. Mengingat fakta ini, satu-satunya cara untuk mendapatkan isotop untuk PET, dengan pengecualian fluor, adalah sintesis in situ di siklotron. Kata "cyclotron" segera mengingatkan LHC, untungnya, cyclotron medis untuk PET jauh lebih kompak. Ukuran karakteristik adalah 3 m, energi proton karakteristik hingga 30 MeV.



GE PETtrace 800 Cyclotron.Gambar dari GE Healthcare Official Brochure

Setelah waktu operasi di cyclotron, isotop memasuki laboratorium khusus, di mana sintesis radiofarmasi yang diperlukan terjadi. Radiofarmasi yang dihasilkan tunduk pada verifikasi wajib di laboratorium kontrol kualitas untuk mengkonfirmasi bahwa zat yang diperoleh adalah radiofarmasi yang diperlukan, tidak mengandung racun dan aman untuk diberikan kepada pasien. Setelah menerima konfirmasi dari laboratorium kendali mutu, radiofarmasi diperkenalkan kepada pasien dan penelitian dilakukan pada tomograf (PET / CT atau PET / MRI).

Salah satu radiofarmasi yang paling umum (jika bukan yang paling umum) untuk PET adalah 18F-FDG (fluorodeoxyglucose), pada dasarnya molekul glukosa berlabel atom fluor-18. Ketika membelah, sel-sel kanker sangat aktif dalam menyerap glukosa, masing-masing, jika gambar menunjukkan suatu daerah dengan sejumlah besar glukosa yang bukan merupakan karakteristik metabolisme yang sehat, maka pertumbuhan tumor kanker sangat mungkin terjadi di daerah ini.


Molekul 18F-FDG. Alih-alih salah satu kelompok OH, atom 18F terpasang

Kesimpulan

Penting untuk dicatat bahwa PET adalah metode fungsional, sedangkan CT atau MRI bersifat anatomis. Yaitu jika ada tumor pada tahap yang sangat awal, maka pada CT atau MRI tidak akan menonjol dengan latar belakang organ yang sehat, sedangkan pada PET itu sudah "bersinar". Oleh karena itu, untuk mendapatkan gambaran lengkap, perlu menggabungkan dua metode - PET melihat tumor, dan CT atau MRI memberikan ikatan anatomi yang tepat ke organ.



Gambar yang konsisten dari CT, PET dan PET / CT. Gambar dari Internet

PS: Jarang disebutkan di mana, tetapi metode PET digunakan tidak hanya dalam diagnosis kanker, tetapi juga untuk studi fungsi organ internal. Sebagai contoh, metode ini telah menemukan aplikasi luas dalam kardiologi dalam studi fungsi jantung.